Расчет системы защитного заземления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Брянский государственный технический университет

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Методические указания к выполнению практической работы

для студентов всех форм обучения всех специальностей

Брянск 2010г.

УДК 614.84

Безопасность жизнедеятельности. Расчёт системы защитного заземления Текст + Электронный ресур]: методические указания к выполнению практической работы для студентов всех форм обучения всех специальностей. - Брянск: БГТУ, 2010. - 20 с.

Разработали:

А. В. Тотай, д-р техн. наук, проф.,

М. Н. Нагоркин, канд. техн. наук, доц,

С. С. Филин, канд. техн. наук, доц.

Рекомендовано кафедрой "Безопасность жизнедеятельности и химия" (протокол № 1 от 30.08.2010 г)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эксплуатация большинства машин связана с применением электрической энергии. Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает на него термическое, электролитическое и биологическое действие, вызывая общие и местные электротравмы. Характер воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов: значения и длительности протекания тока через организм, рода и частоты тока и индивидуальных свойств человека.

Анализ несчастных случаев в промышленности показывает, что число травм, вызванных воздействием электрического тока, сравнительно невелико и составляет 0,5 1% общего числа несчастных случаев в промышленности, однако среди травм со смертельным исходом электротравмы составляют 20 40%.

В связи с изложенным повышенное внимание необходимо уделять вопросам электробезопасности как на стадии проектирования технологического оборудования, так и на стадии его эксплуатации. Особую роль здесь должны играть разработка и эффективное применение защитных мер в электроустановках, к которым относится защитное заземление.

Цель работы - изучение методов расчёта систем защитного заземления электроустановок в сетях до 1000 В.

Продолжительность работы - 2 академических часа.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

На практике условиями возникновения электротравм являются:

1) прикосновение к токоведущим частям электрооборудования, находящимся под напряжением (случайное, не вызванное производственной необходимостью прикосновение к оголённым проводам, зажимам, ошибочная подача напряжения во время ремонтов и осмотров);

2) прикосновение к нетоковедущим (токопроводным) частям электрооборудования, случайно оказавшимся под напряжением при повреждении изоляции (прикосновение к корпусу электродвигателя, имеющему замыкание на корпус, или к приводимому им в действие станку);

3) попадание человека в зону действия электрической дуги, нахождение человека вблизи оборванного провода, упавшего на землю (возможность поражения шаговым напряжением).

Замыканием на корпус называется случайное соединение токоведущих частей оборудования с корпусом или другими частями, нормально не находящимися под напряжением, что происходит вследствие повреждения изоляции (старение, износ, механические повреждения).

Замыканием на землю называется случайное электрическое соединение находящихся под напряжением частей электроустановок с землей, сопровождаемое протеканием аварийного тока через грунт. Это может произойти вследствие появления контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом оборудования, а также при падении на землю оборванного провода или при повреждении изоляции и т. д.

Во всех перечисленных случаях ток частей оборудования, находящихся под напряжением, проходит в землю непосредственно или через специально предусмотренный для этой цели электрод заземлитель. Вблизи заземлителя или места непосредственного контакта оборванного провода с землей образуется электрическое поле. Потенциал любой точки этого электрического поля в зависимости от расстояния до электрода изменяется по гиперболическому закону (рис. 1). Потенциалы в точках, удаленных от электрода на расстоянии 20 м и более, принимают равными нулю. Человек, находящийся в поле растекания электрического тока, оказывается под напряжением шага, если его ноги находятся в точках с разными потенциалами (длину шага человека принимают равной 0,8 м).

Как видно из рис. 1, напряжение шага увеличивается по мере приближения человека к месту контакта электрода с землей.

Рис. 1. Общая схема растекания тока в грунт и возникновения шагового напряжения

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕЩЕНИЙ ПО СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Окружающая среда может усилить или ослабить опасность поражения человека электрическим током. Так, повышенная влажность снижает сопротивление изоляции, повышенная температура ускоряет старение изоляции, что приводит к снижению её сопротивления или даже к разрушению. При повышенной температуре воздуха сопротивление тела человека снижается, вследствие смачивания кожи выделяющимся потом.

Токопроводящий пол (металлический, земляной, железобетонный, кирпичный, ксилолитовый), на котором стоит человек, касающийся оборудования, находящегося под напряжением, резко уменьшает сопротивление цепи человека.

Наличие в помещениях токопроводящей пыли в количествах, достаточных для того, чтобы она проникала под кожухи электрооборудования и оседала на проводах, приводит к тому, что через осевшую пыль проходит ток, создаются утечки, а также замыкание на землю и между фазами.

Газы, пары и различные отложения на проводах, которые разрушают изоляцию и снижают ее сопротивление, также увеличивают опасность поражения электрическим током.

По степени опасности поражения электрическим током все помещения подразделяются на три класса:

1) помещения без повышенной опасности, в которых отсутствуют признаки помещений двух других классов;

2) помещения с повышенной опасностью со следующими признаками:

сырые, то есть с относительной влажностью воздуха, превышающей 75%;

с проводящей пылью, выделяющейся по условиям производства в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь машин и аппаратов и ухудшать их изоляцию или охлаждение; с токопроводящими полами;

жаркие (с температурой воздуха более +35оС постоянно или периодически более 1-х суток);

с возможностью одновременного прикосновения человека к металлическим корпусам электрооборудования, с одной стороны, и к соединенным с землей металлоконструкциям зданий, с другой;

3) помещения особо опасные, имеющие один из следующих признаков:

особо сырые (относительная влажность воздуха близка к 100%, при этом потолок, стены и все предметы покрыты влагой);

с химически активными парами, газами или плесенью, грибками, разрушающими изоляцию;

имеющие одновременно два или более признаков помещений с повышенной опасностью.

Открытые или наружные электроустановки, размещённые на открытом воздухе, следует приравнивать к электроустановкам, эксплуатирующимся в особо опасных помещениях, так как в зависимости от погоды возможны повышенная температура, токопроводящий "пол" (открытый сырой грунт) и особая сырость.

заземление защитный электрический ток

ЗАЩИТА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЧАСТИ ОБОРУДОВАНИЯ

Для защиты от поражения электрическим током при переходе напряжения на конструктивные металлические части оборудования применяются защитное заземление, защитное зануление и защитное отключение.

Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением.

Защитное заземление применяется в трехфазных трёхпроводных сетях напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью, а в сетях с напряжением свыше 1000 В с изолированной и заземленной нейтралью (рис. 2). Защитное заземление может быть эффективным только в том случае, если сила тока замыкания на землю не увеличивается по мере уменьшения сопротивления заземления. Это возможно в сетях с изолированной нейтралью, где при глухом замыкании на землю или на заземлённый корпус сила тока практически не зависит от сопротивления заземления.

Рис. 2. Принципиальная схема защитного заземления:

а в сети с изолированной нейтралью; б в сети с заземлённой нейтралью

Прикосновение человека к корпусу незаземлённого оборудования, случайно оказавшегося под напряжением, равносильно прикосновению его к фазе.

В случае замыкания на корпус заземлённого электрооборудования последнее окажется под напряжением

UЗ = IЗ RЗ

где IЗ сила тока короткого замыкания; RЗ сопротивление заземленного оборудования.

При наличии защитного заземления человек, касаясь оборудования, имеющего замыкание на корпус, окажется под воздействием только части полного напряжения, под которым относительно земли находится электрооборудование (рис. 3). Это напряжение называется напряжением прикосновения и оно будет равно:

Uпр = k IЗ RЗ,

где k коэффициент напряжения прикосновения, который изменяется от нулевого значения в точке над заземлителем до единицы в точке на границе нулевого потенциала (удаленной от заземлителя на расстоянии 20 м).

Из этого следует, что если человек стоит над заземлителем (k = 0), то напряжение прикосновения и ток равны нулю. Если человек находится вне поля растекания, то он попадает под напряжение прикосновения, равное напряжению заземлителя относительно земли з.

Сопротивление защитного заземляющего устройства в несколько сотен раз меньше сопротивления тела человека. Поэтому сила тока, проходящего через человека, в соответствии с законом Кирхгофа будет во столько же раз меньше силы тока короткого замыкания, а значение её будет безопасным для жизни человека.

Рис. 3. Напряжение прикосновения к заземлённым нетоковедущим частям оборудования, оказавшимся под напряжением: 1- потенциальная кривая, характеризующая изменение потенциала земли вокруг заземлителя; 2 кривая, характеризующая изменение напряжения прикосновения Uпр при изменении расстояния от заземлителя

Защитное зануление это преднамеренное электрическое соединение токопроводных частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением, к неоднократно заземлённому нулевому проводнику. Схема защитного зануления представлена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема защитного зануления:

1- корпус;

2 - плавкие предохранители, автоматы и т. п.;

R0 - сопротивление заземления нейтрали источника тока;

Rп - сопротивление повторного заземления нулевого защитного проводника;

Iк - ток короткого замыкания;

- фазный провод;

0 - нулевой провод

Область применения защитного зануления трёхфазные четырехпроводные электрические сети напряжением до 1000 В с заземлённой нейтралью.

Назначение защитного зануления устранение опасности поражения человека электрическим током при замыкании на корпус. Принцип его действия заключается в превращении замыкания на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего происходит срабатывание защиты и отключение поврежденной электроустановки от сети.

Защитное отключение это устройство, обеспечивающее быстрое автоматическое отключение электроустановки от питающей сети при возникновении опасности поражения человека электрическим током. Такая опасность возникает при замыкании фазы на корпус, при снижении сопротивления изоляции и т. п. Схема защитного отключения представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема защитного отключения:

ЭУ - электроустановка;

П - кнопка "Пуск";

С - кнопка "Стоп";

К - кнопка "Контрольная";

МП - магнитный пускатель;

РЗ - реле;

КРЗ - катушка реле

При появлении напряжения относительно земли на корпус ЭУ под действием катушки КРЗ срабатывает реле РЗ. Контакты реле разрывают цепь обмотки пускателя МП, и неисправная электроустановка ЭУ отключается от сети. Цепь искусственного замыкания, включаемая кнопкой К, служит для контроля исправности схемы отключения.

Защитное отключение может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с защитным заземлением. Оно применяется в тех случаях, когда выполнение защитного заземления связано с большими техническими трудностями (при большом удельном сопротивлении грунта, на скальных грунтах, для передвижных установок и т. д.).

РАСЧЁТ СИСТЕМЫ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Устройство защитного заземления

Устройство заземления выполняется в соответствии с требованиями Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ГОСТ 12.1.030-81, ГОСТ Р МЭК 61140-2000.

Заземление следует выполнять:

при напряжениях переменного тока 380 В и выше и постоянного тока 440 В и выше во всех электроустановках;

при напряжениях переменного тока выше 42 В и постоянного тока выше 110 В только в электроустановках, размещённых в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных, а также в наружных электроустановках;

при любом напряжении переменного и постоянного тока во взрывоопасных электроустановках.

При устройстве защитного заземления могут быть использованы как естественные, так и искусственные заземлители. Причём если естественные заземлители имеют сопротивление растеканию тока, удовлетворяющее требованиям ПУЭ, то устройство искусственных заземлителей не требуется.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов, транспортирующих горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, горючие и взрывчатые газы и смеси;

обсадные трубы, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в непосредственном соприкосновении с землей;

свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле и т. д.

В качестве искусственных заземлителей чаще всего применяют угловую сталь сечением 6060 мм, стальные трубы диаметром 35 - 60 мм и стальные шины сечением не менее 100 мм2.

Стержни и трубы длиной 2,5…3 м погружаются (забиваются) в грунт вертикально в специально подготовленной траншее (рис. 6).

Вертикальные заземлители, устанавливаемые в грунте, соединяются определенным образом стальной полосой, которая приваривается к каждому заземлителю. Расположение заземлителей показано на рис. 7.

Рис. 6. Установка вертикального

Рис. 7. Схема расположения заземлителя в траншее заземлителей

Стальные заземлители должны иметь определённые минимальные размеры (прил. 1).

По расположению заземлителей относительно заземляемого оборудования системы защитного заземления подразделяются на выносные и контурные.

Схема выносного заземления оборудования представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема выносного заземления:

1 заземляемое оборудование; 2 заземлители

При выносной системе заземления заземлители располагаются на некотором удалении от заземляемого оборудования. Поэтому заземлённое оборудование находится вне поля растекания тока и человек, касаясь его, оказывается под полным напряжением относительно земли Uпр = U3. Выносное заземление защищает человека только лишь при малом сопротивлении грунта.

Контурное заземление показано на рис. 9. Заземлители располагаются по контуру заземляемого оборудования на небольшом (несколько метров) расстоянии друг от друга. В данном случае поля растекания тока заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности земли внутри контура имеет значительный потенциал. При этом напряжение прикосновения будет меньше, чем при выносном заземлении

Uпр = UЗ - осн,

где осн потенциал земли.

Рис. 9. Схема контурного заземления

Нормирование параметров защитного заземления

Защитное заземление предназначено для обеспечения безопасности человека при прикосновении его к нетоковедущим частям оборудования, случайно оказавшимся под напряжением, а также при воздействии напряжения шага. Эти величины не должны превосходить длительно допустимых

Uпр Uпр д.д.;

Uш Uш д.д.

В ПУЭ нормируются сопротивления заземления в зависимости от напряжения электроустановок.

В электроустановках напряжением до 1000 В сопротивление заземляющего устройства должно быть не выше 4 Ом; если же суммарная мощность источников не превышает 100 кВА, сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом.

В электроустановках с напряжением электросети U 1000 В с силой тока замыкания I 500 А допускается сопротивление заземления RЗ 250 / IЗ, но не более 10 Ом.

Если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок напряжением до 1000 В и выше, т RЗ 125 / IЗ, но не выше нормы электроустановки U 1000 В (4 или 10 Ом).

В электроустановках с силой тока замыкания IЗ 500 А RЗ 0,5 Ом.

Порядок расчёта защитного заземления

Расчёт заземления сводится к определению числа заземлителей и длины соединительной полосы исходя из допустимого сопротивления заземления. Расчёт выполняется в следующем порядке.

1. Выбирается вид заземлителя, его размеры и размеры соединительной полосы (диаметр и длина трубы, сечение соединительной полосы).

2. Выбирается значение удельного сопротивления грунта, соответствующее или близкое по значению удельному сопротивлению грунта в заданном районе размещения проектируемого заземления (прил. 2). При расчёте также можно использовать данные, полученные при измерении удельного сопротивления грунтов.

3. Определяется значение электрического сопротивления растеканию тока в землю с одиночного заземлителя по формуле

,

где удельное сопротивление грунта, Ом м;

длина заземлителя, м (рис. 7);

t расстояние от поверхности грунта до середины заземлителя, м,

t = h + 0,5•l

где h глубина заложения заземлителя в грунт, м;

Кс коэффициент сезонности, вводится в расчёт для приведения выбранного значения удельного сопротивления грунта к условиям наихудшей его проводимости в наиболее сухое время года (прил. 2);

d диаметр заземлителя, м.

4. Рассчитывается число заземлителей без учёта взаимных помех, оказываемых заземлителями друг на друга, так называемого явления взаимного "экранирования"

,

где RЗ.Н нормируемое (допустимое) сопротивление всей системы заземления по ПУЭ.

5. Рассчитывается число заземлителей с учётом коэффициента экранирования

,

где э коэффициент экранирования, выбираемый в зависимости от вида заземления, числа заземлителей и расстояния a между соседними заземлителями (прил. 3).

Расстояние между заземлителями a = (1…3), м.

6. Определяется длина соединительной полосы, м

= 1,05 n a.

7. Рассчитывается значение сопротивления растеканию тока с соединительной полосы, Ом

,

где b ширина соединительной полосы (b = 25 - 60 мм); h глубина заложения полосы в грунте.

8. Рассчитывается полное значение сопротивления системы заземления, Ом

,

где П коэффициент экранирования полосы, выбираемый из прил. 4.

Расчёт выполнен верно, если полученное значение RЗ будет меньше допустимого сопротивления по ПУЭ RЗ.Н. В случае необходимости расчёт корректируется.

Варианты заданий представлены в прил. 5.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Безопасная эксплуатация электроустановок: справ. пособие / под общ. ред. Е. Н. Татарова. - Н. Новгород: Вента-2, 1999. - 160 с.

2. ГОСТ 12.1.030-81 Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.

3. ГОСТ Р МЭК 61140-2000. Защита от поражения электрическим током. Общие положения по безопасности, обеспечиваемой электрооборудованием и электроустановками в их взаимосвязи.

4. ГОСТ Р МЭК 60050-2005. Заземление и защита от поражения электрическим током. Термины и определения.

5. Долин, П. А. Элекробезопасность. Задачник: учеб. пособие / П. А. Долин, В. Т. Медведев, В. В. Корочков. - М.: Гардарики, 2003. - 213 с.

6. Защитное заземление и защитное зануление электроустановок: справочник В. Д. Маньков, С. Ф. Заграничный. - М.: Политехника, 2006. - 440 с.

7. Иванов, Е. А. Безопасность электроустановок и систем автоматики: учеб. пособие для студентов / Е. А. Иванов, В. Л. Галка, К. Р. Малаян. - СПб.: ЭЛМОР, 2003. - 381 с.

8. Охрана труда: Межотраслевые правила по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок: ПОТ РМ 016-2001, РД 153-34.0-03.150-00: правила вводятся в действие с 1 июля 2001 г. - М.: Инфра-М, 2005. - 152 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Наименьшие размеры стальных заземлителей

Форма заземлителя	Нормируемый параметр	Наименьший допустимый размер
Круглый (пруток)	Диаметр, мм	10
То же, оцинкованный	Диаметр, мм	6
Полосовая сталь	Сечение, мм2, толщина, мм	48 4
Угловая сталь	Толщина полок, мм	4
Стальные трубы	Толщина стенок, мм	3,5

Приложение 2

Приближённые значения удельного сопротивления грунтов, Ом м

Грунт	Пределы значений , Ом м	Коэффициент сезонности, Кс
Глина	8 - 70	2,4
Суглинок	40 - 150	2,0
Песок	400 - 700	2,4
Супесок	150 - 400	1,5
Торф	10 - 30	1,4
Чернозем	9 - 53	1,4
Садовая земля	30 - 60	1,3

Приложение 3

Значения коэффициента экранирования для заземлителей

Выносное заземление	Контурное заземление
Число заземлителей	Отношение А /	Число заземлителей	Отношение А /
	1	2	3		1	2	3
5	0,70	0,81	0,87	10	0,53	0,67	0,76
10	0,58	0,74	0,81	20	0,47	0,62	0,71
15	0,53	0,69	0,78	30	0,43	0,59	0,69
20	0,49	0,66	0,76	40	0,41	0,58	0,67
30	0,45	0,63	0,73	50	0,40	0,56	0,66
40	0,42	0,61	0,72	60	0,37	0,54	0,65
50	0,41	0,60	0,71	80	0,34	0,52	0,63

Приложение 4

Значения коэффициента экранирования для соединительной полосы

Выносное заземление	Контурное заземление
Число заземлителей	Отношение А /	Число заземлителей	Отношение А /
	1	2	3		1	2	3
5	0,70	0,83	0,88	10	0,33	0,39	0,55
10	0,60	0,70	0,78	20	0,27	0,32	0,44
20	0,41	0,55	0,66	30	0,24	0,30	0,40
30	0,31	0,45	0,58	40	0,22	0,28	0,38
40	0,26	0,39	0,52	50	0,21	0,27	0,37
50	0,21	0,36	0,49	60	0,20	0,26	0,36
60	0,20	0,34	0,47	70	0,197	0,258	0,35
-	-	-	-	80	0,195	0,25	0,34

Приложение 5

Таблица вариантов заданий

№ варианта	Вид заземления	Длина заземлителя , м	Глубина заложения заземлителя в грунт h, м	Коэффициент сезонности Кс	Удельное сопротивление грунта , Ом м
1	Выносное	2,5	0,5	1,1	500
2	Выносное	3,0	0,55	1,2	300
3	Выносное	2,6	0,6	1,8	100
4	Выносное	2,7	0,65	2,0	70
5	Выносное	2,9	0,7	1,5	200
6	Выносное	2,8	0,65	1,9	180
7	Выносное	2,5	0,65	1,9	180
8	Контурное	2,9	0,6	1,4	190
9	Контурное	2,7	0,7	2,0	80
10	Контурное	2,6	0,8	2,0	100
11	Контурное	2,5	0,85	1,8	170
12	Контурное	2,75	0,65	1,7	150
13	Контурное	3,0	0,55	1,6	90
14	Контурное	2,8	0,75	1,9	120
15	Выносное	2,5	0,7	1,2	300
16	Выносное	2,7	0,6	1,5	170
17	Выносное	2,6	0,5	1,6	190
18	Выносное	2,8	0,75	2,0	150
19	Выносное	3,0	0,65	1,5	250
20	Выносное	2,9	0,55	1,6	220
21	Выносное	2,7	0,8	1,9	100
22	Контурное	2,6	0,7	1,2	200
23	Контурное	2,8	0,5	1,6	90
24	Контурное	2,5	0,65	1,3	190
25	Контурное	3,0	0,6	1,7	100
26	Контурное	2,75	0,7	1,5	170
27	Контурное	2,7	0,55	1,4	300

Примечание: диаметр заземлителя d = 35 60 мм; ширина соединительной полосы b = 25 60 мм; допустимое сопротивление системы заземления по ПУЭ Rз.н. = 4 Ом.

Размещено на Allbest.ru